Desain sirkuit terpadu fotonik

Desain darifotoniksirkuit terpadu

Sirkuit terpadu fotonik(PIC) sering dirancang dengan bantuan skrip matematika karena pentingnya panjang lintasan dalam interferometer atau aplikasi lain yang sensitif terhadap panjang lintasan.fotodiproduksi dengan membuat pola beberapa lapisan (biasanya 10 hingga 30) pada wafer, yang terdiri dari banyak bentuk poligonal, yang sering kali direpresentasikan dalam format GDSII. Sebelum mengirim berkas ke produsen photomask, sangat diinginkan untuk dapat mensimulasikan PIC guna memverifikasi kebenaran desain. Simulasi dibagi menjadi beberapa tingkat: tingkat terendah adalah simulasi elektromagnetik (EM) tiga dimensi, di mana simulasi dilakukan pada tingkat subpanjang gelombang, meskipun interaksi antara atom dalam material ditangani pada skala makroskopis. Metode yang umum meliputi domain waktu beda hingga tiga dimensi (3D FDTD) dan ekspansi mode eigen (EME). Metode ini adalah yang paling akurat, tetapi tidak praktis untuk seluruh waktu simulasi PIC. Tingkat berikutnya adalah simulasi EM 2,5 dimensi, seperti perambatan berkas beda hingga (FD-BPM). Metode ini jauh lebih cepat, tetapi mengorbankan sebagian akurasi dan hanya dapat menangani perambatan paraksial dan tidak dapat digunakan untuk mensimulasikan resonator, misalnya. Level berikutnya adalah simulasi EM 2D, seperti 2D FDTD dan 2D BPM. Ini juga lebih cepat, tetapi memiliki fungsionalitas terbatas, seperti tidak dapat mensimulasikan rotator polarisasi. Level selanjutnya adalah simulasi matriks transmisi dan/atau hamburan. Setiap komponen utama direduksi menjadi komponen dengan input dan output, dan pandu gelombang yang terhubung direduksi menjadi elemen pergeseran fase dan redaman. Simulasi ini sangat cepat. Sinyal output diperoleh dengan mengalikan matriks transmisi dengan sinyal input. Matriks hamburan (yang elemennya disebut parameter-S) mengalikan sinyal input dan output di satu sisi untuk menemukan sinyal input dan output di sisi lain komponen. Pada dasarnya, matriks hamburan berisi refleksi di dalam elemen. Matriks hamburan biasanya dua kali lebih besar dari matriks transmisi di setiap dimensi. Singkatnya, dari EM 3D hingga simulasi matriks transmisi/hamburan, setiap lapisan simulasi menghadirkan trade-off antara kecepatan dan akurasi, dan desainer memilih level simulasi yang tepat untuk kebutuhan spesifik mereka guna mengoptimalkan proses validasi desain.

Namun, mengandalkan simulasi elektromagnetik dari elemen tertentu dan menggunakan matriks hamburan/transfer untuk mensimulasikan seluruh PIC tidak menjamin desain yang sepenuhnya benar di depan pelat aliran. Misalnya, panjang lintasan yang salah dihitung, pemandu gelombang multimode yang gagal menekan mode orde tinggi secara efektif, atau dua pemandu gelombang yang terlalu dekat satu sama lain yang menyebabkan masalah kopling yang tidak terduga cenderung tidak terdeteksi selama simulasi. Oleh karena itu, meskipun alat simulasi canggih memberikan kemampuan validasi desain yang kuat, hal itu tetap memerlukan tingkat kewaspadaan yang tinggi dan pemeriksaan yang cermat oleh perancang, dikombinasikan dengan pengalaman praktis dan pengetahuan teknis, untuk memastikan keakuratan dan keandalan desain dan mengurangi risiko lembar aliran.

Teknik yang disebut sparse FDTD memungkinkan simulasi 3D dan 2D FDTD dilakukan secara langsung pada desain PIC yang lengkap untuk memvalidasi desain. Meskipun sulit bagi alat simulasi elektromagnetik apa pun untuk mensimulasikan PIC skala yang sangat besar, sparse FDTD mampu mensimulasikan area lokal yang cukup besar. Dalam FDTD 3D tradisional, simulasi dimulai dengan menginisialisasi enam komponen medan elektromagnetik dalam volume terkuantisasi tertentu. Seiring berjalannya waktu, komponen medan baru dalam volume dihitung, dan seterusnya. Setiap langkah membutuhkan banyak perhitungan, sehingga membutuhkan waktu yang lama. Dalam sparse FDTD 3D, alih-alih menghitung pada setiap langkah di setiap titik volume, daftar komponen medan dipertahankan yang secara teoritis dapat sesuai dengan volume yang sangat besar dan dihitung hanya untuk komponen tersebut. Pada setiap langkah waktu, titik-titik yang berdekatan dengan komponen medan ditambahkan, sementara komponen medan di bawah ambang daya tertentu dihilangkan. Untuk beberapa struktur, perhitungan ini dapat beberapa kali lipat lebih cepat daripada FDTD 3D tradisional. Akan tetapi, sparse FDTD tidak bekerja dengan baik saat menangani struktur dispersif karena medan waktu ini menyebar terlalu banyak, sehingga menghasilkan daftar yang terlalu panjang dan sulit dikelola. Gambar 1 menunjukkan contoh tangkapan layar simulasi FDTD 3D yang mirip dengan polarization beam splitter (PBS).

Gambar 1: Hasil simulasi dari FDTD sparse 3D. (A) adalah tampilan atas struktur yang disimulasikan, yang merupakan coupler terarah. (B) Menunjukkan tangkapan layar simulasi menggunakan eksitasi quasi-TE. Dua diagram di atas menunjukkan tampilan atas sinyal quasi-TE dan quasi-TM, dan dua diagram di bawah menunjukkan tampilan penampang yang sesuai. (C) Menunjukkan tangkapan layar simulasi menggunakan eksitasi quasi-TM.